摘要 气体绝缘组合电器（GIS）是变电站现场的关键设备，其安全运行直接关系电网的安全运行和供电可靠性。该文首先设计了一种用于GIS的暂态电压-局部放电融合传感器，能够实现对于GIS电压及局部放电特高频、光学信号的一体化测量，并设计了径向基函数网络代理的自适应差分进化（RBFN-SaDE）方法对传感器结构进行优化。测试结果表明，融合传感器电压测量频率响应在50 Hz～100 MHz的偏差小于0.3 dB，且传感器在300～1 500 MHz频率范围内的特高频平均有效高度为13.25 mm，能够有效地测量GIS电压及局部放电信号。然后，基于实体GIS搭建了测试平台，围绕绝缘子沿面放电开展了融合传感器的有效性测试，结果表明传感器可准确地测量工频及工频叠加电压，局部放电特高频与光学信号互补，能够有效地对GIS状态开展在线监测。最后，围绕融合传感器设计了在线监测系统，并将该系统应用至现场变电站的在运设备，实现了对GIS合闸过程及运行工况的电压-局部放电融合在线监测，对GIS在线监测装置的设计与应用具有一定的指导意义。
关键词：气体绝缘组合电器 状态检测 局部放电 暂态电压 荧光光纤
气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）是在电网中应用量较高、增长速度较快的核心设备，其运行可靠与否直接关系电网安全运行和供电可靠性[1-3]。实际运行经验表明，绝缘故障是引发GIS事故的主要原因[4-7]。局部放电（Partial Discharge, PD）作为设备绝缘劣化的重要原因与早期表征，其在线监测已被广泛应用于GIS的绝缘状态诊断及评估中[8-10]。
特高频（Ultra-High Frequency, UHF）检测法由于其安全可靠、灵敏度高的特点，已经成为应用最为广泛的GIS局部放电在线监测技术，在确保设备的安全运行中发挥了重要作用[11-15]。然而多年运行经验表明，由于特高频检测对于部分缺陷灵敏度较低、易受外部电磁噪声影响，目前特高频检测系统仍存在漏报误报严重、局部放电识别率不高等突出问题[16-17]。近些年研究人员围绕局部放电光学检测法开展了相关研究，其表现出抗电磁干扰及高检测灵敏度特征，利用特高频信号和光学信号开展协同检测，能够有效地提高对GIS缺陷局部放电的检测灵敏度[18-20]。
除局部放电外，电压波形也是影响设备绝缘状况的重要因素。GIS在隔离开关动作、断路器分合闸、雷击等过程中会不可避免地承受暂态过电压侵袭，对GIS绝缘造成冲击。除了高幅值过电压对绝缘的危害之外，国内外研究人员近年来针对工频叠加冲击电压作用下的GIS放电特性开展了初步实验，研究结果表明此时设备的绝缘特性与工频或冲击电压单独作用下的绝缘特性存在差异[21-22]。何聪、树婷等围绕SF6气体中典型缺陷在交流叠加冲击电压作用下的放电特性开展了研究，结果表明所侵入的冲击电压可能会引发SF6气体中的潜在绝缘缺陷，进而诱发局部放电，并在工频电压作用下持续发展[23-24]。李晓昂等研究了SF6中叠加冲击电压对于缺陷检测的有效性，认为叠加电压可以更高效地检出潜伏性缺陷[25]。因此，GIS状态在线监测及诊断应综合考虑局部放电及设备所承受的电压波形。对GIS开展局部放电在线监测的同时对设备电压进行监测，一方面可以利用过电压等暂态过程下的放电特性对被测设备进行更为准确的绝缘水平评估；另一方面所测得的电压信号可以为局部放电在线监测提供真实的工频相位参考，以提高缺陷检出与识别的准确性。研究人员基于电容分压原理设计了各式各样的GIS过电压传感器[26-28]，检测频带覆盖工频至快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage, VFTO）的设备全频段，实现了对GIS电压信号的有效测量，为设备的电压监测提供了基础和依据。
随着检测技术的发展，对设备运行状态的监测也趋于全面。然而在已投运的GIS加装额外的检测装置会受到预留空间不足、增加安全隐患等因素的制约。此外，考虑到所监测的信号在GIS内传播特性的差异，在不同位置分别安装监测装置会对设备状态信号的分析造成阻碍。因此，开发多检测参量的融合传感器及系统对于GIS状态监测的发展及应用具有重要的现实意义。
针对现有GIS特高频在线监测方法的不足，综合考虑局部放电光学与电压检测的可行性及必要性，本文提出了一种用于GIS的过电压及局部放电光、电信号的融合传感器及采集系统，搭建实体GIS实验平台并开展了相关实验以验证检测系统的有效性，最终基于研制的检测系统对在运GIS开展了融合在线监测。
目前采用电容分压原理的过电压传感器大多通过GIS手孔安装内置电极，并利用植入电极分别和高压导杆和安装法兰之间的结构电容构成电容分压器，用于实现对GIS导杆电压的测量，其结构示意图如图1a所示[29]。
图1 典型传感器结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of typical sensor structure
类似地，内置式特高频传感器通过将电极安装至GIS腔体内用于接收局部放电产生的电磁信号，典型的圆盘形内置式特高频传感器结构示意图如图1b所示。由于圆盘形特高频传感器具有安全可靠、灵敏度高等优点，故在实际中得到了较广泛的应用。
本文在圆盘形特高频传感器的基础上融合同轴环形电极，并在特高频天线板表面敷设荧光光纤，设计了如图2所示的过电压-特高频-光学融合传感器，以实现对于GIS的电压和局部放电光、电信号的一体化测量。
图2 融合传感器结构示意图及实物
Fig.2 Structure schematic and physical picture of proposed composite sensor
融合传感器上部为特高频天线板及天线介质层，用于接收局部放电电磁信号并经由馈电杆传导至输出端口。特高频天线板表面敷设直径为1.0 mm的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate, PMMA）荧光光纤，并通过光纤密封接头与GIS外部光学检测系统相连接。荧光光纤利用紫外线固化（Ultra Violet, UV）胶固化至特高频天线板表面加工的1.0 mm槽中，并在其上覆盖一层0.5 mm厚的PMMA透光板对光纤进行固定。特高频介质层下方为用于测量电压信号的环形电极，电极与安装法兰之间设有0.5 mm厚的聚四氟乙烯（Polytetrafluoro-ethylene, PTFE）薄膜用于构成低压臂测量电容。环形分压电极与特高频馈电杆连接至安装法兰上的TRB接头，并实现后续信号的分离及传输。传感器法兰、环形电极、特高频介质层及天线板各层之间利用O形橡胶圈密封。
特高频天线板通过金属螺栓接地，在确保融合传感器安全植入的同时与安装法兰共同构成低频段的地电极，一并与环形分压电极组成电容分压器的低压臂；传感器环形电极与底板所构成的锥形过渡结构确保了电压及特高频段内阻抗的连续变化，以减小信号由接收到传输过程的反射，改善传感器的高频电压检测性能[28]。
1.2.1 传感器参数设计目标
本文所设计的融合传感器主体结构由特高频天线板与电容式分压电极组成，相比于单一的传感器，融合传感器的结构更加复杂，且传感器各部件之间会对检测性能产生交互影响，此时利用以往传感器设计所采用的参数扫描方法[12]难以实现对于融合传感器的有效设计，因而需要开展融合传感器的参数优化以提升传感器的检测性能。
融合传感器结构主要对传感器的特高频性能具有突出影响，其通常以特高频有效高度He进行评估，表达式为
（1）
式中，Uo和Ei分别为传感器的输出电压和入射电磁波的电场强度；f为频率。相比有效高度而言，对于传感器过电压性能的仿真评估则较为困难，因而在本文的设计中以传感器有效高度为优化目标，并对电容电极结构参数进行限制以约束其测量性能，从而构造的优化问题为
（2）
式中，He,a为平均有效高度；x和S分别为传感器结构参数以及对应的参数取值范围，其同时受到传感器结构形式及安装要求的限制。由于荧光光纤的安装及信号引出对于融合传感器整体结构及性能的影响较小，因而在传感器参数化设计的过程中忽略传感器表面所敷设光纤布置参数的影响[30]。最终融合传感器的参数化建模共涉及9个结构参数，各参数示意图及取值范围如图3和表1所示。
1.2.2 径向基函数网络代理的自适应差分进化（RBFN-SaDE）方法参数优化策略
计算特高频传感器有效高度需要借助基于时域有限差分（Finite Difference Time Domain, FDTD）的仿真计算[31]。如图3所示，通过施加传播方向与传感器表面平行、电场方向与传感器表面垂直的平面横电磁（Transverse Electro-Magnetic, TEM）波作为激励，仿真计算传感器输出电压及表面电场强度，进而可以得到传感器有效高度的仿真结果。然而在优化过程中需要开展多次仿真求解，使得优化过程所需的计算量陡增，导致开展优化过程十分困难，当需要考虑的参数较多时尤为突出。为了降低求解计算量，构造代理模型用于替代优化过程中的仿真计算，可以显著加速参数优化过程。径向基函数网络（Radial Basis Function Network, RBFN）是一种包含输入层、隐含层和输出层的前馈型神经网络[32]。对于n维输入向量x=[x1x2…xn]，RBFN通过构造m个神经元并采用径向基函数f(x)作为激活函数对目标问题进行回归。激活函数通常采用高斯函数形式，表示为
图3 融合传感器参数化建模及优化流程
Fig.3 Parametric modeling and optimization process of the composite sensor
表1 传感器结构参数及取值范围
Tab.1 Structural parameters and range of proposed sensor
序号参数取值范围/mm 下 限上 限 1HUHF-a1040 2RUHF30Rdiv-o-10 3RUHF-g20RUHF-10 4HdicHdiv-t(RUHF/Rdiv-i)50 5Rdiv-o7080 6Rdiv-i30Rdiv-o-15 7Hdiv-b030 8Hdiv-tHdiv-bHdiv-b+30 9Hdiv-tot550
（3）
式中，fi(x)和ci分别为第i个神经元的激活函数及径向基函数中心，i=1, 2, …, m；di为神经元的拓展常数。RBFN代理模型对于输入参数x的有效高度预测结果表示为
（4）
式中，wi为第i个神经元对输出贡献的权重。
在FDTD仿真及RBFN代理模型的基础上，利用自适应差分进化（Self-adaptive Differential Evolu-tion, SaDE）算法对传感器优化问题进行求解[33]，所设计的优化流程如图3右侧所示，求解过程主要包含以下几个步骤。
1）对传感器结构进行参数化建模，并确定各个参数的取值范围，利用优化拉丁超立方采样（Optimized Latin Hypercube Sampling, OLHS）得到D个优化初始样本。
2）通过FDTD仿真对初始样本的有效高度进行仿真计算，利用样本参数及对应的有效高度构成初始数据库。
3）利用数据库中的样本构建/更新RBFN代理模型，并在数据库中筛选He最大的d个样本作为初始迭代个体。
4）对d个迭代个体执行变异、交叉、选择操作，采用步骤3）中构建的代理模型分别对变异向量的适应度函数进行预测，并筛选出预测最优的非重复个体进行FDTD仿真，将该个体及对应的有效高度加入历史数据库。
5）统计不同迭代参数下迭代个体的更新次数，并调整迭代模型参数以加速样本更新。
6）判断数据库中最优样本是否满足结束条件，若不满足则重复步骤3）～步骤6）。
在所设计的优化流程的每一个迭代步长中，样本个体的有效高度均利用RBFN代理模型式（4）进行计算，而仅对每一代中预测适应度函数最高的样本开展FDTD仿真，且计算结果均加入数据库并对网络进行更新，在确保优化模型精度的同时大大降低了仿真求解次数。
1.2.3 传感器参数优化结果
优化过程中共采用100个初始样本点并迭代200次，累计进行300次FDTD仿真计算，传感器各项参数的优化结果见表2，迭代过程及最终有效高度优化结果如图4所示。融合传感器在300～1 500 MHz范围内的平均有效高度经200次迭代后由原始结构的8.66 mm提高至13.17 mm，特高频谐振频率由576 MHz降低至471 MHz，传感器的特高频性能获得了有效提升。
表2 传感器参数优化结果
Tab.2 Parameter optimization results
序号参 数数值/mm 初始优化后 1HUHF-a2011.8 2RUHF5053.4 3RUHF-g3736.7 4Hdic2638.9 5Rdiv-o8071.4 6Rdiv-i6030.9 7Hdiv-b204.2 8Hdiv-t3013.6 9Hdiv-tot5014.7
图4 有效高度优化结果
Fig.4 Effective height optimization results
窗口式电压传感器的杂散电感较小，因而往往具有较为理想的高频检测性能，但其低压臂电容限制了传感器对于低频信号的测量，因此需要通过调整测量系统对传感器的低频检测特性进行改善。电容式电压测量系统的3 dB下限截止频率fL计算式为
（5）
式中，Req为测量系统低压臂输入阻抗；C2为传感器低压臂电容。
由于窗口式电压传感器电极与介质层尺寸的不同，C2通常为数百pF至几nF不等且不便于调控，因此可以利用增大低压臂输入阻抗的方式降低下限截止频率。场效应管（Field Effect Transistor, FET）输入运算放大器通常具有极高的输入阻抗（可高达数十GW）以及较低的工作噪声，是实现阻抗变换的理想方案。本文采用最大输入阻抗为500 GW、带宽为1 050 MHz的ADA4817型运算放大器搭建了如图5所示的阻抗变换回路，以降低测量系统的下限截止频率。
为了测量融合传感器的电压检测频带，搭建了如图6所示的电压频响测试平台。利用一台SDG6032X信号发生器分别产生5 Hz～100 MHz的交流及方波电压信号，并通过横电磁波导将电压信号转换为腔体中的均匀电场，测量传感器输出的扫频特性及阶跃响应，结果分别如图7a、图7b所示。
图5 阻抗变换回路
Fig.5 Impedance converter circuit
图6 电压频响测试平台
Fig.6 Voltage frequency response testing platform
图7 电压检测性能测试结果
Fig.7 Test results of voltage measurement performance
扫频结果显示，所设计的测量系统的3 dB下限截止频率约为6 Hz，且在50 Hz～100 MHz的频率范围内增益偏差小于0.3 dB；阶跃响应所测量的10%～90%上升时间tr为2.505 ns，换算得到电压测量系统的上限截止频率fH不小于139.72 MHz。因此，所研制的传感器及测量系统具有较为理想的频率特性，能够实现50 Hz工频至VFTO频段内电压的准确测量。
本文所设计的融合传感器利用特高频天线板及其上敷设的荧光光纤分别接收局部放电所产生的电磁信号及光信号，以实现对于GIS局部放电的光、电联合检测。
利用GTEM小室（gigahertz transverse electro-magnetic cell）对融合传感器的特高频有效高度进行测量，并与FDTD仿真结果进行对比，结果如图8所示。可见所设计的融合传感器特高频谐振频率在500 MHz附近，且300～1 500 MHz内平均有效高度为13.25 mm，最低有效高度为7.13 mm，能够有效测量GIS内部的局部放电特高频信号。
图8 融合传感器的有效高度
Fig.8 Effective height of proposed composite sensor
除了特高频信号外，融合传感器还可利用表面敷设的荧光光纤接收并传输局部放电所产生的光信号。荧光光纤的纤芯中掺有可以吸收并发射特定波长光信号的荧光物质，其工作特性可以通过荧光光谱进行表征。通过Edinburgh FLS980荧光光谱仪测得本文所采用荧光光纤的激发光谱和发射光谱如图9所示，光纤主要吸收280～490 nm波长范围内的光信号，并将其转换为黄绿色可见光进行传输。
图9 传感器光纤荧光光谱
Fig.9 Fluorescence fiber spectrum of sensor
为了验证融合传感器的检测性能，本文在实验室搭建了如图10所示的GIS实验平台及配套检测系统。试品为正泰集团生产的220 kV GIS，其内部充有0.4 MPa的SF6气体，GIS导杆通过高压套管连接至分压器及高压电源，以对设备施加不同波形的高电压。为了确保放电的稳定性及重复性，在GIS实验气室的盆式绝缘子上设置直径为0.8 mm、长为20 mm的金属钨丝，用于模拟盆式绝缘子附着金属异物缺陷。金属丝端部距高压导杆0.5 mm，整体与盆式绝缘子紧密贴合。在紧邻缺陷绝缘子的安装窗安装所设计的融合传感器，用于检测GIS电压波形及缺陷所产生的局部放电特高频与光学信号。
图10 GIS实验平台
Fig.10 GIS experiment platform
融合传感器输出的电压及特高频信号经由TRB分接头分离为两路信号后，分别连接至2.1节所述的阻抗变换模块以及工作频段为300～1 500 MHz、带内平均增益为38 dB的滤波放大器进行预处理。传感器荧光光纤通过光纤密封接头连接至传输用的石英光纤，并经由滨松H10722-1光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）进行光电转换。传感器输出的三路信号及平台电容分压器的输出端连接至LeCroy HDO9104示波器进行采集。
首先对绝缘子缺陷的工频局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）进行测试，10次平均检测结果为24.1 kV。然后对GIS施加1.5倍PDIV，即36 kV的工频电压，测试传感器对电压及局部放电的检测性能。
工频电压作用下的分压器及传感器的时域检测结果如图11a所示。对比两种电压检测结果可知，融合传感器测量的工频信号具有良好的稳定性与准确性，表明系统具有足够的下限截止频率以实现对工频电压的测量。
图11 工频电压作用下沿面放电测试结果
Fig.11 Surface discharge test results under power frequency voltage
而对比传感器所测得的局部放电特高频信号及光学信号可以发现，两种检测方法所测得的沿面放电脉冲并不完全对应。结合对比图11b中通过两种方法测量的局部放电相位分布（Phase Resolved Partial Discharge, PRPD）谱图可知，沿面放电对于特高频检测表现出较为明显的极性效应[34]，大部分测得的放电脉冲集中在30°～90°的相位内，仅少部分放电分布在210°～270°相位内且较为分散。尽管荧光光纤测量的放电重复率小于UHF检测结果，但检测极性效应不显著，即荧光光纤对正、负极性电压下的放电均能有效测量。
此外，由于光学器件的检测特性，光纤测量结果中包含了均匀分布的随机热噪声，其主要由光学检测系统的PMT自身引入，表3统计了有、无局部放电时荧光光纤测量的脉冲信号特征。施加电压后，放电脉冲重复率由309.27次/min上升至793.22次/min，且平均幅值由58.68 mV上升至62.51 mV，此外还可以通过绘制如图11b所示的放电谱图有效地区分噪声及放电信号。为了检测冲击及叠加电压作用下传感器的检测性能，对GIS施加幅值为21.6 kV的90%PDIV交流电压，并在工频相位225°基础上叠加幅值为84 kV的负极性标准操作电压，分压器及传感器的测量结果如图12所示。
表3 荧光光纤测得放电脉冲统计结果
Tab.3 Statistics of pulses measured with fluorescent fiber
施加电压/kV平均幅值/mV脉冲重复率/(次/min) 058.68309.27 36.062.51793.22
图12 工频叠加操作冲击下的测试结果
Fig.12 Test results under AC superimposed switching impulse voltage
与工频下的测量结果类似，融合传感器测量的电压波形与分压器测得的结果一致性较高，而特高频与荧光光纤测得的放电则存在差异。针对工频叠加操作电压这一过程，局部放电主要包含两部分：冲击电压作用下的放电以及冲击过后所引发的放电。荧光光纤对于冲击下的大幅值放电具有较好的检测灵敏度，但对后续引发的相对较弱的放电其检测灵敏度较差。
通过对比工频及叠加电压作用下的放电检测特性可以发现，特高频与荧光光纤对于不同状态的放电检测灵敏度不同：特高频检测工频电压下的放电测得的脉冲数较多，但其对负极性电压下的放电不敏感；荧光光纤对冲击下的放电检测灵敏度较高，但对于冲击所引发的后续放电检出能力较差。两种检测方法具有一定程度的互补性，综合两种方式的检测结果能够对GIS开展更为准确的在线监测与评估。
为了实现基于所设计融合传感器的在线监测，本文搭建了融合在线监测系统，如图13所示。
图13 融合在线监测系统
Fig.13 Composite online monitoring system
传感器电压信号经阻抗变换模块处理后得到覆盖工频至VFTO频段的宽频电压信号，经100 MHz高频滤波后送入采集卡作为暂态电压信号；利用电压跟随模块及1 kHz低通滤波模块从阻抗变换输出端取得工频电压作为同步信号，为局部放电分析提供相位参考。传感器采集的特高频信号首先进行滤波放大，然后通过检波模块变换为低频信号进行采集；光信号由传输光纤连接至PMT进行光电转换后输入采集卡。所选用的采集卡模拟带宽为40 MHz，最大采样率为80 MHz，通过PCIe总线连接与上位机通信。在线监测系统利用220 V检修电源，经供电模块进行电平转换后为系统内元件供电。
本文所设计的融合传感器及在线监测系统安装于河北省邢台市某变电站内110 kV母线段，接线示意图与安装现场如图14所示。经现场测试，安装传感器后的GIS间隔气密性良好，通过现场交流耐压测试，满足带电运行要求。
图14 在线监测系统应用现场
Fig.14 Application of online monitoring system
在线监测系统监测到的断路器合闸过程如图15所示。在断路器合闸瞬间及之后的约5 ms内，断路器触头发生多次短间隙击穿，传感器测量的电压波形发生畸变，特高频通道也检测到明显的大幅值信号；而由于光纤具有抗电磁干扰特性，光通道受到的电弧干扰幅值较低。操作过程之后，特高频脉冲消失、荧光光纤检测信号恢复到背景噪声水平，电压波形为50 Hz标准正弦波，设备运行状态良好。
图15 系统监测的断路器合闸过程
Fig.15 Switching process measured with proposed system
本文设计并优化了一种用于GIS的电压-特高频-光学融合传感器以及相应的采集系统，在GIS实体设备上开展了验证实验，最终实现了对现场GIS的在线监测，得到结论如下：
1）本文在圆盘形特高频传感器的基础上融合环形分压电极，并在特高频天线板表面敷设荧光光纤，形成了GIS暂态电压-局部放电融合传感器。采用RBFN-SaDE流程优化后的传感器电压测量偏差在50 Hz～100 MHz范围内小于0.3 dB，特高频平均有效高度为13.25 mm，能够实现对GIS电压与局部放电信号的有效测量。
2）在实验室基于真型220 kV GIS搭建平台，并围绕GIS绝缘子沿面放电开展了验证实验，结果表明，传感器对于工频和工频叠加操作冲击两种工况下的电压波形测量准确，特高频与荧光光纤测量局部放电有效且具有一定的互补性。
3）基于所设计的融合传感器开发了配套的采集系统，并应用至现场运行的110 kV GIS，对断路器合闸及正常运行过程开展暂态电压及局部放电的在线监测。
综上所述，本文设计的GIS暂态电压-局部放电融合传感器能够实现对GIS电压及局部放电光学、特高频信号的融合检测，从多角度对设备运行状态进行监测，有望实现更为准确、有效的设备在线监测及评估，并为后续GIS在线监测技术及装置的设计与应用提供一定的支撑。
致谢：国网河北省电力公司电力科学研究院的顾朝敏和邢台公司的要亚忠等在本文所提系统的应用过程中提供了指导与帮助，在此向他们表示感谢。
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Abstract Gas insulated switchgear (GIS) is a critical component in substations, and its safe operation directly affects the security and reliability of power supply. With the development of PD detection technologies, ultra-high frequency (UHF) detection has become the most widely used insulation monitoring technology in GIS equipment. For online monitoring of GIS equipment, voltage is also an important part of state detection. In recent years, researchers have developed GIS voltage detection systems to achieve wideband monitoring of equipment voltage from power frequency to VFTO. This article proposed a transient voleage-partial discharge composite sensor for GIS equipment, which achieves synchronous detection of GIS equipment voltage, UHF signals, and optical signals.
The proposed sensor mainly consists of a plate UHF sensor, integrating a voltage divider electrode, and fluorescent optical fibers are laid on the surface of the ultra-high frequency antenna plate to detect PD optical signals. The structure of composite sensors is more complex compared to traditional UHF or voltage sensors, and there are also more structural parameters to determine. Therefore, an RBFN-SaDE algorithm was designed in this paper to optimize the UHF effective height while constraining the voltage divider electrode. In the designed process, radial basis function networks (RBFN) were used to replace the fitness evaluating FDTD simulation in most self-adaptive differential evolution (SaDE) processes, greatly accelerating the solving speed. Test results demonstrated that the deviation of composite sensor voltage measurement was less than 0.3 dB between 50 Hz～100 MHz, and the average effective height of UHF measurement in 300～1 500 MHz was 13.25 mm, indicating the effectiveness in measuring GIS voltage and PD signals.
In this paper, a sensor performance testing platform was built based on a 220 kV GIS equipment. PDs was generated by setting a surface defects on the insulator to verify the detection performance of the designed composite sensor. When applying power frequency and AC superimposed switching impulse voltage to GIS equipment, the composite sensor can effectively measure the voltage and partial discharges in GIS. The UHF and fiber optical signals exhibited a complementarity for the applied surface discharge.
Finally, the paper designs an online monitoring system based on proposed composite sensor and applied the system to in field equipment at a substation, achieving online monitoring of voltage and partial discharge during the switching and operation processes of GIS equipment. This research is expected to be helpful for the design and application of online monitoring devices for GIS equipment.
keywords：Gas insulated switchgear, status detection, partial discharge, transient voltage, fluorescent optical fiber
中图分类号：TM835.4
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.241778
国家自然科学基金联合基金重点项目资助（U22B20118）。
收稿日期 2024-10-11
改稿日期 2020-10-30
王昊天 男，1999年生，博士研究生，研究方向为电力设备在线监测技术。E-mail: 617358096@qq.com
李军浩 男，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为电力设备状态监测及故障诊断技术，新型检测技术及智能传感技术等。E-mail: junhaoli@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）